從電子顯微鏡下觀察，骨骼有一套非常精巧的結(jié)構(gòu)—— 一束束的有機(jī)膠原蛋白基質(zhì)中鑲嵌著一層層無機(jī)羥基磷灰石晶體，這種多層復(fù)合的結(jié)構(gòu)讓骨骼成為最理想的生物體支架。
目前，國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行“仿生骨”材料的研究，尋找能夠被體內(nèi)安全吸收的骨骼替代材料一直是臨床醫(yī)學(xué)工作者和患者的期盼。北京大學(xué)工學(xué)院材料科學(xué)與工程系鄭玉峰表示，鎂合金和鐵會在人體環(huán)境中較快地發(fā)生生物解降，具備了可降解植入材料的特性，表現(xiàn)出誘人的臨床應(yīng)用前景。
良好的生物活性
不銹鋼、鈦合金和鉆合金等傳統(tǒng)金屬材料因其優(yōu)異的綜合力學(xué)和易加工成形的性能，一直是骨科等硬組織修復(fù)的主要材料。然而這些醫(yī)用金屬材料在臨床使用中都存在一個重要的問題，那就是植入體內(nèi)后，會不同程度地刺激周邊肌體組織，從而產(chǎn)生多種組織反應(yīng)。比如引發(fā)人體過敏及體內(nèi)的炎性反應(yīng)，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致畸變、癌變等重大疾病的發(fā)生。
因此，能否實(shí)現(xiàn)植入的金屬材料在人體內(nèi)可以完全降解并被安全吸收或代謝，一直是科研人員研究的重點(diǎn)。鄭玉峰認(rèn)為，由于鎂、鐵可降解金屬的化學(xué)組元是生物體的生命元素，具有良好的生物相容性、獨(dú)特的降解功能、優(yōu)異的綜合力學(xué)性能以及加工成形性能，因而在醫(yī)學(xué)應(yīng)用的前景是極為誘人的。
資料顯示，鎂是體內(nèi)多種細(xì)胞基本生化反應(yīng)的必需物質(zhì)，成人每人每日對鎂的需求量達(dá)到300~400mg左右;鐵也是人體內(nèi)極其重要的微量元素，在成年女性和男性體內(nèi)的含量分別約35mg/kg和45mg/kg，廣泛參與人體的新陳代謝過程，包括氧的運(yùn)輸、DNA 的合成、電子的傳遞等，具有良好的生物相容性。
人體中的鎂離子還可促進(jìn)骨細(xì)胞的增殖及分化，鎂植入生物體內(nèi)后，能夠迅速在其表面形成磷酸鹽類物質(zhì)，促進(jìn)周圍成骨細(xì)胞的大量生成。
“這種生物活性特征是聚乳酸等可降解高分子以及普通醫(yī)用金屬材料所不具備的。”鄭玉峰說，“而且，與目前臨床應(yīng)用和正在開發(fā)的骨科植入材料相比，鎂與骨組織的密度最為接近。”
除此之外，氫氣是鎂合金和鐵在體內(nèi)降解過程中的產(chǎn)物之一，氫具有抗炎癥、抗氧化損傷的生物學(xué)作用，對很多疾病具有治療作用，因而氫氣的產(chǎn)生有望成為可降解金屬應(yīng)用的另一優(yōu)勢。
目前，鄭玉峰領(lǐng)導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)室科研小組已經(jīng)設(shè)計出Mg- Ca醫(yī)用鎂合金體系，這種鎂合金體系兼具良好的機(jī)械性能、腐蝕抗力和生物相容性，鎂可以促進(jìn)鈣的吸收，同時釋放出鎂、鈣離子能夠促進(jìn)新骨形成，這對醫(yī)用金屬材料從“可降解”發(fā)展到更高層次的“可吸收”提供了新的認(rèn)識。
研發(fā)仍需完善
雖然我國在生物可降解醫(yī)用金屬材料的總體研究水平已處于國際領(lǐng)先，鎂合金等材料的顯著優(yōu)勢也已經(jīng)得到國內(nèi)外專家的認(rèn)可，但是這種材料離大規(guī)模的臨床應(yīng)用還有很長的距離。
鄭玉峰表示，鎂合金腐蝕速度的良好控制、骨誘導(dǎo)性能的機(jī)理研究等問題還亟待進(jìn)一步解決。
鎂及其合金降解速度過快也將導(dǎo)致可降解鎂合金植入器件的體內(nèi)力學(xué)性能衰減速率過快，從而影響治療效果。而且，對于可降解金屬在體內(nèi)降解產(chǎn)物的生物安全性方面仍然缺乏完善的研究數(shù)據(jù)，例如，鎂在體內(nèi)降解造成環(huán)境中的堿性升高，可導(dǎo)致溶血甚至溶骨現(xiàn)象，氫氣釋放導(dǎo)致的皮下氣泡容易引起炎癥等負(fù)面生物學(xué)反應(yīng)等。
“未來可以從材料設(shè)計和制備角度出發(fā)，研究開發(fā)出具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和良好的耐體液降解性能的可降解鎂合金。”鄭玉峰說。
在分析生物可降解金屬材料未來發(fā)展的趨勢時，鄭玉峰認(rèn)為，研究的重點(diǎn)應(yīng)集中在以下幾點(diǎn)：第一，通過合金化、冷加工、熱處理和表面處理等方法改善鎂合金和鐵合金的腐蝕速度;第二，合金化后添加元素對于材料生物相容性的影響;第三，為了避免植入物在早期失效，對于腐蝕過程中材料力學(xué)性能變化的分析;第四，可生物降解醫(yī)用金屬材料腐蝕產(chǎn)物的成分分析以及生物安全性評價;第五，尋找新的可生物降解合金體系，挖掘潛在的應(yīng)用可能;第六，建立更為完善的體外評價標(biāo)準(zhǔn)，使得體外試驗(yàn)對于體內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果的預(yù)測更加精確。
另外，我國在可降解金屬材料方面依然停留在個體或小組自發(fā)研究行為的層面，特別需要組織國家層面上的合作，如大學(xué)與企業(yè)的合作、政府與民間的支持合作、藥監(jiān)與企業(yè)的檢測標(biāo)準(zhǔn)合作等，只有通過來自多個領(lǐng)域?qū)＜业墓餐?，才能加快我國可降解金屬材料的研究發(fā)展和醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化。
國內(nèi)醫(yī)用鎂骨內(nèi)固定螺釘預(yù)計明年進(jìn)入臨床
日前，國家食品藥品監(jiān)督管理總局發(fā)出2014年第6號《創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批申請審查結(jié)果公示》，公示顯示，宜安科技申請的“可降解鎂骨內(nèi)固定螺釘”產(chǎn)品已經(jīng)通過創(chuàng)新醫(yī)療器械特別審批申請審查。
宜安科技相關(guān)負(fù)責(zé)人表示，公司向中國食品藥品檢定研究院遞交申請材料，是生物可降解醫(yī)用鎂合金項(xiàng)目的重大突破。若可降解鎂骨內(nèi)固定螺釘順利通過中國食品藥品檢定研究院的樣品檢驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核，并取得中國食品藥品檢定研究院頒發(fā)的《注冊檢驗(yàn)報告》，公司下一步將向國家食品藥品監(jiān)督管理總局申請臨床試驗(yàn)。預(yù)計明年上半年進(jìn)入臨床試驗(yàn)，臨床試驗(yàn)時間大約為12-18個月。
宜安科技-中科金屬所非晶聯(lián)合研究室
據(jù)悉，目前國內(nèi)只有宜安科技一家公司從事研發(fā)醫(yī)用可降解鎂合金骨釘，骨板。主導(dǎo)該產(chǎn)品研發(fā)的“生物可降解鎂合金及相關(guān)植入器件創(chuàng)新研發(fā)團(tuán)隊”是廣東省引進(jìn)的第二批創(chuàng)新科研團(tuán)隊。2011年5月份， 在中國產(chǎn)學(xué)研合作促進(jìn)會推動下,宜安科技牽頭組建了“醫(yī)用鎂合金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”，并在松山湖正式成立。這也是全國首個鎂合金材料應(yīng)用醫(yī)學(xué)研究的聯(lián)盟機(jī)構(gòu)。首批加入聯(lián)盟的單位有29家，包括北京大學(xué)、清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京理工大學(xué)、中科院金屬所、西北有色金屬研究院、中國人民解放軍總醫(yī)院、重慶三峽中心醫(yī)院等國家知名企業(yè)、大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和醫(yī)院。
中德“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”推動產(chǎn)業(yè)化
中國和德國是目前世界公認(rèn)的醫(yī)用鎂合金研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化成果較為成熟的國家。因此宜安科技在國內(nèi)外扮演著引領(lǐng)醫(yī)用鎂合金技術(shù)發(fā)展的重要角色。
2013年1月5日，宜安科技牽頭“中國醫(yī)用鎂合金創(chuàng)新聯(lián)盟”與德國AAP Implantate AG公司生物鎂合金研究團(tuán)隊，在北京科技會堂召開2013年“中德生物鎂合金骨科產(chǎn)品臨床前研討會”。中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)會理事長、北京航天航空大學(xué)樊瑜波教授和德國AAP Implantate AG公司副總裁Daniel分別作了專題報告。中德雙方就此在生物鎂合金骨科產(chǎn)品的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化上展開合作。
合作方德國AAP公司是該領(lǐng)域非常具有技術(shù)前瞻性的高科技醫(yī)療器械企業(yè)。其產(chǎn)品包括骨水泥，骨移植替代材料，抗生素載體和促進(jìn)骨折愈合和關(guān)節(jié)置換的植入物等，均列世界一流的水平。按照“醫(yī)用鎂合金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”預(yù)計，經(jīng)過中德“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”的技術(shù)聯(lián)動，醫(yī)用鎂合金最快有望在5年內(nèi)正式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。
革命性金屬生物材料
據(jù)了解，鎂合金作為一種新型醫(yī)用植入物，因其在體內(nèi)服役完畢后可以在人體內(nèi)完全降解吸收，不僅免去了病人二次開刀的心理和生理痛苦，還大大降低病人的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，被稱為“革命性金屬生物材料”。若將鋼制骨釘用可降解鎂合金材料的骨釘替代,僅這一醫(yī)用鎂合金材料市場規(guī)模就可達(dá)120億。專家預(yù)計，我國很快將迎來醫(yī)用鎂合金的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化需求的井噴時期。